(2025年)《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》考試試題總結(jié)(含答案)一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪項不屬于傳感器靜態(tài)特性參數(shù)？（）A.線性度B.頻率響應(yīng)C.靈敏度D.遲滯誤差答案：B（頻率響應(yīng)屬于動態(tài)特性參數(shù)）2.電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K定義為（）A.應(yīng)變片電阻變化率與機械應(yīng)變的比值B.應(yīng)變片電阻值與機械應(yīng)變的比值C.應(yīng)變片長度變化與原長的比值D.應(yīng)變片截面積變化與原截面積的比值答案：A（靈敏度系數(shù)K=ΔR/R/ε，反映電阻變化率與應(yīng)變的線性關(guān)系）3.壓電式傳感器不能直接測量靜態(tài)信號的主要原因是（）A.壓電材料的居里溫度限制B.電荷會通過測量電路泄漏C.壓電效應(yīng)僅在動態(tài)應(yīng)力下產(chǎn)生D.傳感器輸出阻抗過低答案：B（靜態(tài)應(yīng)力下壓電元件產(chǎn)生的電荷會因測量電路輸入阻抗不足而泄漏，導(dǎo)致信號衰減）4.以下哪種光電效應(yīng)屬于外光電效應(yīng)？（）A.光電導(dǎo)效應(yīng)B.光生伏特效應(yīng)C.光電發(fā)射效應(yīng)D.光伏效應(yīng)答案：C（外光電效應(yīng)指光電子逸出材料表面，如光電管、光電倍增管；內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)和光生伏特效應(yīng)）5.電容式傳感器采用差動結(jié)構(gòu)的主要目的是（）A.提高靈敏度B.簡化電路設(shè)計C.降低成本D.減小非線性誤差答案：D（差動結(jié)構(gòu)通過兩個電容的反向變化抵消非線性項，顯著降低非線性誤差，同時提高靈敏度）6.熱電偶測溫時，補償導(dǎo)線的作用是（）A.延長熱電極長度，降低環(huán)境溫度影響B(tài).補償冷端溫度變化引起的誤差C.提高測量精度D.增加信號傳輸距離答案：B（補償導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸至溫度穩(wěn)定的控制室，配合冷端溫度補償電路修正冷端非0℃帶來的誤差）7.電感式傳感器的零點殘余電壓主要由（）引起A.激勵電壓幅值不穩(wěn)定B.線圈間寄生電容和鐵芯磁化曲線非線性C.被測物體表面不平整D.傳感器安裝誤差答案：B（零點殘余電壓是指銜鐵在中間位置時輸出不為零的現(xiàn)象，主要因線圈參數(shù)不對稱、寄生電容及鐵芯非線性磁化導(dǎo)致）8.以下哪種傳感器屬于數(shù)字式傳感器？（）A.熱電偶B.光柵傳感器C.應(yīng)變片D.壓電加速度計答案：B（光柵傳感器通過莫爾條紋計數(shù)輸出數(shù)字脈沖信號，屬于數(shù)字式；其他為模擬式）9.MEMS傳感器的核心優(yōu)勢是（）A.高精度B.低成本、小體積、易集成C.寬測量范圍D.抗干擾能力強答案：B（微機電系統(tǒng)（MEMS）通過半導(dǎo)體工藝制造，實現(xiàn)傳感器的微型化、批量生產(chǎn)和系統(tǒng)集成）10.用于氣體濃度檢測的電化學(xué)傳感器，其工作原理主要基于（）A.氣體分子與電極的氧化還原反應(yīng)B.氣體對特定波長光的吸收C.氣體分子的熱導(dǎo)率差異D.氣體壓力變化引起的電容變化答案：A（電化學(xué)傳感器通過被測氣體在電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生與濃度成比例的電流信號）二、填空題（每空1分，共20分）1.傳感器一般由______、______和信號調(diào)理電路三部分組成。答案：敏感元件；轉(zhuǎn)換元件2.電阻應(yīng)變片的工作原理是基于______效應(yīng)，壓阻式傳感器的工作原理是基于______效應(yīng)。答案：應(yīng)變電阻；壓阻3.電容式傳感器按參數(shù)變化方式可分為______、______和______三種類型。答案：變極距型；變面積型；變介電常數(shù)型4.電感式傳感器包括______、______和電渦流式傳感器三種主要類型。答案：自感式（差動變壓器式）；互感式5.光電傳感器的基本組成包括______、______和光電元件三部分。答案：光源；光學(xué)通路6.熱電偶的基本定律包括______、______和中間導(dǎo)體定律。答案：均質(zhì)導(dǎo)體定律；中間溫度定律7.衡量傳感器動態(tài)特性的主要指標(biāo)有______、______和相位誤差。答案：上升時間；超調(diào)量（或頻率響應(yīng)范圍）8.智能傳感器的核心特征是具備______、______和自診斷功能。答案：信號處理；通信（或數(shù)據(jù)存儲）9.柔性壓力傳感器常用的敏感材料有______、______和碳納米管。答案：導(dǎo)電高分子；石墨烯10.物聯(lián)網(wǎng)中多傳感器融合的常用方法包括______、______和模糊邏輯法。答案：加權(quán)平均法；卡爾曼濾波法三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述電阻應(yīng)變片與壓阻式傳感器的異同點。答案：相同點：均利用材料的電阻變化實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換；輸出信號均為電阻變化量。不同點：①工作原理：應(yīng)變片基于金屬的應(yīng)變電阻效應(yīng)（幾何尺寸變化為主），壓阻式基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)（電阻率變化為主）；②靈敏度：壓阻式靈敏度（約100-200）遠高于應(yīng)變片（約2）；③溫度特性：壓阻式溫度系數(shù)大，需嚴格溫度補償；④結(jié)構(gòu)：應(yīng)變片為金屬絲/箔結(jié)構(gòu)，壓阻式為半導(dǎo)體擴散電阻結(jié)構(gòu)；⑤應(yīng)用場景：應(yīng)變片適用于靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)測量，壓阻式適合小量程、高靈敏度場景（如壓力傳感器）。2.說明壓電傳感器為何需要配置高輸入阻抗前置放大器，并列舉兩種常用類型。答案：壓電傳感器輸出為電荷信號（或高內(nèi)阻電壓信號），若測量電路輸入阻抗低，電荷會通過回路泄漏，導(dǎo)致信號衰減甚至丟失。因此需高輸入阻抗前置放大器（輸入阻抗>1012Ω）以減少電荷泄漏，同時實現(xiàn)阻抗變換。常用類型：①電荷放大器（將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出與電荷量成正比）；②電壓放大器（高輸入阻抗運算放大器，輸出與電壓成正比，但受電纜電容影響較大）。3.分析電感式傳感器零點殘余電壓的產(chǎn)生原因及抑制措施。答案：產(chǎn)生原因：①線圈參數(shù)不對稱（如匝數(shù)、電感量、直流電阻不一致）；②線圈與鐵芯間的寄生電容；③鐵芯材料磁化曲線的非線性（導(dǎo)致銜鐵在中間位置時，兩線圈感應(yīng)電勢不完全抵消）；④激勵電壓含有高次諧波。抑制措施：①設(shè)計時保證線圈參數(shù)對稱（如采用磁路對稱結(jié)構(gòu)）；②在電路中加入補償網(wǎng)絡(luò)（如并聯(lián)電阻、電容平衡相位和幅值）；③采用高純度鐵芯材料（減少非線性磁化）；④使用正弦波穩(wěn)幅激勵源（降低諧波干擾）。4.比較光纖傳感器與傳統(tǒng)電子傳感器的優(yōu)勢。答案：①抗電磁干擾：光纖為電絕緣體，不受電磁輻射影響，適用于強電磁環(huán)境（如高壓變電站）；②耐腐蝕：光纖材料（如石英）化學(xué)穩(wěn)定性高，可用于腐蝕性氣體/液體環(huán)境；③本質(zhì)安全：無電火花風(fēng)險，適合易燃易爆場合（如油田、礦井）；④傳輸距離遠：光纖損耗低（單模光纖損耗<0.2dB/km），可實現(xiàn)長距離監(jiān)測；⑤分布式測量：利用光纖光柵（FBG）或分布式光纖傳感技術(shù)（如DTS、DTSS），可同時監(jiān)測多個點或連續(xù)空間的物理量；⑥微型化：光纖直徑?。s125μm），可嵌入狹小空間（如復(fù)合材料內(nèi)部）。5.列舉三種溫度傳感器并說明其適用場景。答案：①熱電偶：適用于高溫測量（-200℃~2000℃），如冶金爐溫、發(fā)動機排氣溫度監(jiān)測；②鉑電阻（PT100）：精度高（±0.1℃），適用于中低溫精密測量（-200℃~850℃），如實驗室、醫(yī)療設(shè)備；③紅外溫度傳感器：非接觸式測量，適用于運動物體、高溫表面或危險環(huán)境（如高爐鐵水、高壓輸電線接頭）；④半導(dǎo)體溫度傳感器（如AD590）：線性度好、體積小，適用于電子設(shè)備溫度監(jiān)控（-55℃~150℃）。四、分析與設(shè)計題（每題10分，共20分）1.某智能農(nóng)業(yè)大棚需監(jiān)測土壤濕度、光照強度和CO?濃度，設(shè)計傳感器配置方案并說明選型依據(jù)。答案：①土壤濕度：選用頻域反射法（FDR）傳感器或電容式土壤濕度傳感器。FDR通過測量土壤介電常數(shù)（與含水量正相關(guān)）實現(xiàn)非破壞性測量，響應(yīng)快、受鹽分影響?。浑娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡單、成本低，適合大棚長期監(jiān)測。②光照強度：選擇硅光電池或光敏二極管。硅光電池輸出電流與光照強度成正比，線性范圍寬（0~200klx），適合農(nóng)業(yè)光強監(jiān)測；光敏二極管響應(yīng)速度快，配合放大電路可實現(xiàn)高精度測量。③CO?濃度：采用紅外氣體傳感器（NDIR）。NDIR基于CO?對4.26μm紅外光的吸收特性，選擇性好、壽命長（>5年），適合大棚內(nèi)高濕度、多粉塵環(huán)境（需加過濾裝置）。2.設(shè)計一個基于MEMS加速度計的跌倒檢測系統(tǒng)，說明傳感器選型、信號處理流程及判定邏輯。答案：①傳感器選型：選用三軸MEMS加速度計（如ADXL345），量程±16g，分辨率13位（0.0039g/LSB），滿足人體運動加速度范圍（日?；顒?lt;3g，跌倒沖擊5~15g）。②信號處理流程：加速度計輸出X、Y、Z三軸模擬信號→經(jīng)低通濾波（截止頻率10Hz，去除高頻噪聲）→A/D轉(zhuǎn)換（16位，提高精度）→計算合加速度a=√(X2+Y2+Z2)，并提取特征參數(shù)（如峰值加速度、持續(xù)時間、傾斜角度）。③判定邏輯：采用閾值+模式識別：①合加速度>8g（跌倒沖擊閾值）；②傾斜角度>60°（身體大幅傾斜）；③沖擊后5秒內(nèi)無活動信號（可能失去行動能力）。滿足以上條件時觸發(fā)報警（通過藍牙發(fā)送至智能手環(huán)或云端）。五、綜合應(yīng)用題（20分）某工業(yè)場景需監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的振動（頻率范圍10Hz~10kHz，振動幅值0.1~100μm），設(shè)計完整的傳感器系統(tǒng)方案，包括傳感器選型、信號調(diào)理電路設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與分析方法。答案：1.傳感器選型：選用壓電式加速度傳感器（如PCB352C33），頻率響應(yīng)1Hz~10kHz（覆蓋目標(biāo)范圍），靈敏度100mV/g（幅值0.1~100μm對應(yīng)加速度約0.01~10g，輸出1~1000mV，匹配采集卡量程），內(nèi)置IEPE（集成電子壓電）電路（簡化信號調(diào)理）。2.信號調(diào)理電路設(shè)計：①恒流源供電：為IEPE傳感器提供2~20mA恒流（典型4mA），通過同軸電纜同時供電和傳輸信號；②高通濾波：設(shè)置截止頻率0.3Hz（去除直流偏移和低頻干擾）；③抗混疊低通濾波：截止頻率12kHz（高于最高振動頻率10kHz，防止采樣混疊）；④增益調(diào)整：若傳感器輸出信號較弱（如<100mV），加入儀表放大器（增益10倍），確保輸出范圍0~5V（匹配數(shù)據(jù)采集卡輸入）。3.數(shù)據(jù)采集與分析：①采集卡選擇：16位DAQ卡（如NIUSB-6363），采樣率≥25kHz（滿足奈奎斯特采樣定理），支持同步采樣三軸振動信號；②數(shù)據(jù)預(yù)處理：通過軟件（如LabVIEW）進行均值濾波（去除直流分量）和加權(quán)平均（降低隨機噪聲）；③特征提取：計算振動的均方根（RMS）值（反映振動能量）、峰值因子（峰值/RMS，識別沖擊